Pyörivän sähkökoneen jäähdytys Sallittu lämpenemä määrää koneen tehon (nimellispiste) ämmön- ja aineensiirto sähkökoneessa on huomattavasti monimutkaisempi ja vaikeammin hallittava tehtävä koneen magneettipiirin suunnittelu Ilmaväli Käämitys
Pyörivän sähkökoneen jäähdytys ämpenemäongelman jako ämmönlähteet ja jakauma koneen eri osissa ämmön poisto (jäähdytysmekanismit) P s 00 %, 4.7 kw P Fe,9% 55 P Cus 6,9% P δ P l 0,5% P a 85 %, 4.0 kw P Cur P,0% µ 4,7% 300
Pyörivän sähkökoneen jäähdytys Pyörimisnopeusalue Suuri T pieni n (kestomagnetoidut tahtikoneet, epätahtikoneet) Ylimääräinen puhallin Suurnopeuskäytöt Jäähdytysfluidin virtaus ja kitkahäviöt Tarvitaan läpituuletus Missä häviöt syntyvät DC-koneet ja induktiokoneet, roottorihäviöt merkittävät Tarvitaan tehokas ilmavirtaus ilmaväliin Vierasmagnetoidut tahtikoneet, reluktanssikoneet Staattorihäviöt dominoivat Jäähdytys helpompi järjestää
Pyörivän sähkökoneen jäähdytys ämmönsiirtoreitin määritys Hitaasti pyörivät koneet, laminoitu staattoripakka ämmönsiirto pääasiassa radiaalisuunnassa johtumalla ja kotelosta konvektiolla ja säteilylämmönsiirrolla Käämityksellä aina myös aksiaalisuuntainen lämmönsiirto! Tarkempi analyysi saadaan toki tehtyä ottamalla aksiaalisuuntainen lämmönsiirto staattorissa ja roottorissa huomioon! Massiivirakenteet, käämitys ämmönsiirto sekä radiaali- että aksiaalisuunnissa Analyysi monimutkaisempi, sillä on määritettävä konvektiokertoimet koneen sisäosien ja niitä ympäröivän fluidin välillä
Analyysimenetelmät ämpöresistanssiverkot Implementointi helppoa (MATAB), lämpöresistanssit määriteltävissä geometrian ja materiaaliominaisuuksien avulla Staattinen tai transienttinen analyysi Häviöt laskettava erikseen, numeeriset/analyyttiset menetelmät Numeeriset menetelmät FEM (D/3D) atkaistavana lämmön johtumisen osittaisdifferentiaaliyhtälö Konvektio ja säteilylämmönsiirto otetaan huomioon reunaehtojen avulla Pitkät laskenta-ajat Kontaktilämpövastusten määritys Hyridimenetelmät Esim. radiaalisuunta FEM ja aksiaalisuunta lämpöresistanssit
Suurnopeuskoneen jäähdytys (massiiviroottorinen induktiokone, roottori aksiaalisesti uritettu) adial cooling duct Frame End-winding Stator yoke Stator winding Stator teeth Air-gap otor teeth otor end otor core Shaft
Mallinnuksessa tarvittavat tiedot Moottorin toimintapiste (n, U, I) ja kupari + rautahäviöt Moottorin ja runkoputken geometria ja materiaalit Johtumislämmönsiirtoa kuvaavat lämpöresistanssit Staattoriuran ja käämityksen rakenne (eristeet) Eri osien kiinnitysmenetelmät (lämpösovite tms.) Vaikuttaa esim. staattoripakan ja runkoputken kosketuslämpöresistanssiin Jäähdytysfluidin massavirta ja virtausnopeus moottorin eri osissa Konvektiivista lämmönsiirtoa kuvaavat lämpöresistanssit Jäähdytysfluidin kitka- ja kiihdytyshäviöt
ämpömallin rakenne ämmönsiirto sekä aksiaali että radiaalisuunnissa Staattori, roottori sekä käämitys Verkot toisistaan riippumattomat Eri jäähdytyskanavien ja jäähdytysfluidin välinen konvektio Jäähdytysfluidin lämpötilannousu Erillinen matriisi (riippumaton varsinaisesta koneen rakennetta kuvaavasta lämpöresistanssiverkosta)
Yleinen sylinterikomponentti T r, out T ax, right T r, in r r T ax, left
Sylinterin lämpöresistanssit T ax, left a 3a a a πλ r r axial ( ) q r 4πλradial ( r r ) 6 πλ ( r r ) r axial T r, out r r ln r 3a 3r T m T ax, right a 3r r 4r r ln + r r r 8πλ ( radial r r ) r T r, in r r r ln r 4πλ ( ) radial r r
oottorihampaan lämpöresistanssit a h ( ) ( ) radial tooth r ln a a a a h λ ( ) ( ) ln radial tooth r a a a h λ ( ) 6 r r 3r +
Konvektio ja kosketuslämpövastukset Virtausmallin avulla saadaan estimaatti virtausnopeudesta koneen eri osissa (virtauskanavissa) Konvektiokertoimien laskenta perustuu proseduuriin v, e, korrelaatio Nu, α Kosketuslämpövastukset (esim. staattori runkoputki) arvioidaan kirjallisuudesta saatavien viitteiden avulla ämpöresistanssi muotoa α A Ilmavälin käsittely riippuu pyörimisnopeudesta sekä jäähdytysfluidista
ämpöresistanssiverkko T a T a fr5 + fr + 4 T a + + fr4 fr3 fr4 fr3 Frame fr6 + 3 fr + co + sy End-winding space End-winding End-winding space 4 3 Yoke sy3 sy Cooling sy5 duct 3 + + sy4 6 sy4 5 6 sew + 0 rer + sew + 9 rer rer3 rer4 + 3 st st Winding sw 4 5 Teeth + st 7 + sw3 sw sew End-ring 9 rer5 er4 rc Air-gap rc + ry ry3 rc3 7 rc4 otor surface rc5 rc4 8 otor yoke sw sw4 + 8 ry T a sh4 + 6 sh3 + 5 sh + sh4 ry4 + 4 ry5 ry4 0 sh Shaft
Matriisiyhtälöt 4, 4 4, 4,,4 4,,,4, 4, i i i i i i M O M M G qnn qn qn q q q fluid 0 0 0 M O M M M G p v q c q ρ ( ) P G G T fluid +